孙膑虽然身处险境，却处处显示出了他的聪明才智。
在齐国使臣的帮助下，孙膑成功地离开魏国来到齐国，得到了齐国大将田忌的赏识。
后来，在田忌赛马中，他帮助实力较弱的田忌赢得了比赛，得到了齐威王的器重，不久就被任命为齐国的军师，开始了自己的军事生涯。
公元前354年，魏惠王任命庞涓为将，命其率军攻打赵国。
由于庞涓通晓战术战策，赵军屡屡战败，最终邯郸都城被魏军团团围住。
这场战争一直持续到第二年，邯郸在久困之下岌岌可危，魏军也因久攻不下而损失很大。
此时，齐王在赵王的请求下决定出兵救援。
救赵大军以田忌为将、孙膑为军师，针对魏国大军在外、国都大梁（今河南开封）防务空虚的弊端，采取批亢捣虚、攻其必救的战法，率军攻打魏国的平陵（今山东定陶东北）。
尔后，派出一队人马直奔大梁，同时将主力埋伏在庞涓大军回救的必经之地——桂陵（今河南长垣西北）。
魏国因主力远征，都城空虚，魏惠王眼见齐军逼进，急忙命令庞涓回师救援。
庞涓听说国都大梁被齐军围困，赶紧率领已经非常疲惫的军队赶回就援。
大军经过桂陵时，遭到养精蓄锐多时的齐军的迎头痛击，魏军几乎全军覆灭，庞涓仓皇逃走，这就是历史上著名的桂陵之战。
桂陵之战使魏国元气大伤，数年之内都没有攻打其他国家的能力。
通过10多年的休养生息，魏国的国力逐渐恢复，准备再次发动战争，这次将矛头指向了自己的邻国——韩国。
国力不强的韩国难以抵挡强大的魏军，急忙派使者到齐国求救。
齐威王采纳了孙膑的深结韩之亲而晚承魏之弊的建议，在魏韩两国多次激战、韩危魏疲之际，再次以田忌为将、孙膑为军师，出兵援韩。
此次救韩，孙膑依然采用了围魏救赵的计策，率兵直逼大梁。
魏国鉴于数年前的桂陵之战的教训，在撤回军队的同时命太子领军与庞涓会合，准备与齐军进行决战。
此时，魏军有10万大军，齐军的兵力却很少。
鉴于敌强我弱的实际情况，孙膑决定调动敌人，创造战机，因此果断地引兵东撤。
在撤退途中，他命令军队逐渐减少炉灶，造成齐国士兵大量逃亡的假象，以便诱敌深入。
庞涓果然上当，丢下步兵，率领轻骑精锐随后紧追。
在行至马陵(今河南范县西南)时，他们被预先埋伏在这里的齐军打了个措手不及，庞涓智穷力竭，羞愧之下自杀身亡。
齐军在孙膑的指挥下全力反击，不但全歼魏军，还俘获了太子申，在魏齐之战中再次取得重大胜利。
马陵之战后，田忌遭到宰相邹忌的陷害，被迫流亡楚国。
孙膑也辞官归隐，从此潜心研究军事理论，并写成流传千古的军事名著——《孙膑兵法》。
《孙膑兵法》又叫《齐孙子》，暗喻此兵法可以与《孙子兵法》相媲美。
孙膑认为：战争应当服从于政治、依赖于经济，只有国富、兵强、民安，才能战胜而强立。
因此他反对企图垂衣而治的幻想，也反对穷兵黩武，强调积极备战，事备而后动。
此外，在军队的建设方面，孙膑认为间于天地之间，莫责于人，把提高人的素质作为强兵的关键。
他强调治军要赏罚分明、令行禁止，同时对士卒进行系统的教育训练，其中包括队列训练、阵法训练、行军训练、战法训练、政治教育等多方面的内容，从而提高军队的全面素质。